防渗土料碾压试验作业指导书(三稿)

1、.报告编号：土-08-26-作业(1)防渗土料碾压试验研究作业指导书中国水电顾问集团成都勘测设计研究院科学研究所2009年8月防渗土料碾压试验研究作业指导书审 批： 审 查：张伯骥 校 核：甘 霖 李小泉编 写：陈定贤 徐 亮中国水电顾问集团成都勘测设计研究院科学研究所2009年8月；.目 录 1 目的任务12 方案策划13 土料适用性复核13.1 土料物理性复核23.1.1土料级配组成复核23.1.2土料含水率复核43.2 土料压实特性及质量控制标准53.2.1土料击实特性53.2.2压实质量控制标准73.3土料掺合改性93.3.1人工破碎砾料加工制备93.3.2掺合料掺合工艺及流程103.

2、3.3掺合料制备方法103.3.4土料含水率调整104 碾压试验114.1机具准备114.2场地准备114.3压实参数和试验组合初步拟定124.4压实质量检测及碾压参数选择134.4.1碾压前、后物理性试验134.4.2碾压遍数、铺土厚度与压实度检测134.4.3铺土厚度、碾压遍数与沉降量关系144.4.4碾压行车速度变化试验154.4.5碾压土料含水率变化试验164.5碾压施工工艺参数选择184.6复核碾压试验185 碾后土体物理力学性试验185.1碾后土体物理性试验185.2现场力学性试验195.2.1现场大型载荷试验195.2.2现场大型剪切试验205.2.3现场注水渗透试验225.2.

3、4现场渗透变形试验235.3室内力学性试验245.3.1室内高压大三轴试验245.3.2室内常规力学试验266成果整理27；.1 目的任务防渗土料一般应在坝主体填筑前进行碾压试验研究。碾压试验的目的是：复核、验证设计参数，确定满足填筑防渗土料质量要求的施工工艺及施工技术参数。根据院下达计划或外委合同要求及内容，了解用户要求、任务性质、技术要求、计划起始、完成时间，明确试验研究任务。2 方案策划2.1 了解工程概况：工程位置及等级、确定坝型、地质情况、防渗土料场分布情况、交通情况、气候情况、施工条件。2.2 技术输入：拟选防渗土料场的位置、有无分区、分层及范围、地质成因、物理性特征(是否需改性及

4、改性方案等)。防渗土料设计参数如级配、填筑控制、含水率、内摩擦角、黏聚力(或咬合力)、模量、允许渗透比降、渗透系数等及其它特殊设计要求。2.3 试验建议计划：对于大项目或重要试验，在未下任务书之前与项目部（设计、地质）进行沟通。对任务书或合同中不明确或未考虑到的技术问题进行沟通和补充建议方案。2.4 编制试验研究大纲（具体内容见科研所作业文件）。2.5 人员及试验设备、交通工具、通讯设备及零星材料、工具配置。2.6 工作量、试验周期、进度安排、经费预算等。2.7执行标准：中华人民共和国电力行业标准水电水利工程土工试验规程DL/T5355-2006；中华人民共和国电力行业标准水电水利工程粗粒土试

5、验规程DL/T5356-2006；中华人民共和国电力行业标准碾压式土石坝设计规范DL/T5395-2007；中华人民共和国电力行业标准碾压式土石坝施工规范DL/T5129-2001；中华人民共和国电力行业标准水电水利工程天然建筑材料勘察规程DL/T5388-2007；中华人民共和国电力行业标准水电水利工程施工测量规范DL/T5173-2003。3 土料适用性复核碾压试验前，应对选用的防渗土料在已有成果基础上进行认真分析研究，选定碾压试验用料范围及深度，并对其开展物理性复核试验，即主要复核土料的级配组成和土料天然含水率随深度的变化，P5（以5mm粒径颗粒为界）百分含量随分区、层的变化。对所得成果

6、与前期成果进行比较，以了解天然含水率随深度变化趋势，P5百分含量随分区、层变化趋势，成果是否在规程规范允许的范围内，以便为碾压试验方案制定提供科学依据，从而确保试验用土料具有较好的代表性。此外，还要对土料的压实特性进行复核，以确定填筑质量控制标准。必要时，还需要复核土料掺砾或掺土改性的适用性。3.1 土料物理性复核在选择的取土范围内可采用开挖浅、竖井或施工断面的方式，按规范规程要求及数量对土料的物理性进行复核。复核时，现场详细记录料场名称、试验位置、取样深度、土样颜色、气候等信息，天然密度、天然含水率和大于5mm粒径颗粒的含量；室内进行颗粒比重、液塑限、颗粒分析等。3.1.1土料级配组成复核根

7、据现场及室内颗粒分析结果，绘制复核土料与前期土料级配组成范围值关系曲线，可知复核土料级配组成在前期土料级配组成范围值中的代表性。土料物理性（复核）试验成果见表3.1-1，复核与前期土料级配组成范围值关系见图3.1-1。；. 土料物理性（复核）试验成果表3.1-1土样编号土样颜色取土深度天 然 状 态 土 的 物 理 性 指 标比重颗 粒 级 配 组 成 (颗粒粒径：mm)小 于5mm含 量小 于0.075含 量不均匀系数曲率系数分 类 名 称湿密度干密度孔隙比含水率液限塑限塑性指数分类典型土名分类符号hdeWWLWpIp-Gs200200100100606040402020101055220.

8、50.50.250.250.0750.0750.0050.00550.075CuCcmg/cm3g/cm3-%-土料频率复核：按下表统计全部样本中5mm粒径颗粒百分含量频率统计。成果见表3.1-2，并绘制直方图，见图3.1-2。土料复核5mm粒径颗粒百分含量频率统计表3.1-25mm70%60%60%50%50%40%40%30%30%20%样本数()概率（%）3.1.2土料含水率复核土料天然含水率随深度变化成果见表3.1-1、3.1-3，天然含水率变化与深度关系见图3.1-3。土料天然含水率（复核）成果表表3.1-3取样位置取样深度天然含水率P5取样位置取样深度天然含水率P5m%m%-1-8

9、-2-9-3-10-4-11-5-12-6-13-7-14样品组数取样深度(m)含水率(%)P5(%)最大值最小值平均值根据土料含水率复核成果与前期土料场统计平均线为基础，分析土料天然含水率的变幅范围值及中值，用以宏观判定土料天然含水率有无调整必要，或直接利用的可能性。3.2 土料压实特性及质量控制标准土料的压实特性主要与击实功能、含水率、P5含量、碾压机械、铺土厚度、行车速度等有关。根据系列击实成果及规程规范的要求确定土料的质量控制标准，指导心墙防渗土料填筑质量控制标准。3.2.1土料击实特性工程中土料击实功能的选择与坝高有关，一般击实功能选择可参照以下三种：当坝高h100m时，选用普式击实

10、功能较为适宜；当坝高100mh200 m时，选用修正普式击实功能较为适宜。在选定的土料场取有代表性的土料，用选定的击实功能中的一种，在室内进行系列击实试验及击实后破碎率测定（砾石土类）。为了解土料在不同含水率、不同粗粒含量P5（5mm）及不同细粒含量P5(5 mm)时的最大干密度变化情况，为制定土体压实标准提供依据，应进行系列击实试验研究，必要时应进行破碎率测试，了解击实后级配组成变化规律。击实成果见表3.2-2。干密度与粗粒含量及含水率关系（dP5W关系曲线）见图3.2-1，最大干密度与粗粒含量与最优含水率与细料最大干密度关系(P5dmaxWopdmaax关系曲线)见图3.2-2。击实试验前

11、、后破碎率测定成果见表3.2-3。击实功能选择曲线见图3.2-3。击实试验成果/记录表3.2-1工程名称：试验者：土样编号：计算者：试验日期：校核者：试验次数1234567密度加水量cm3筒加土重g(1)(1)筒重g(2)(2)湿土重g(3)湿密度g/cm3(4)(3)/950干密度g/cm3(5)(4)/(1+0.01w)含水率盒号-盒加湿土重g(1)(1)盒加干土重g(2)(2)盒重g(3)(3)水重g(4)(1)-(2)干土重g(5)(2)-(3)含水率%(6)(4)/(5)平均含水率%根据系列击实成果，按规程规范要求制定防渗土料压实度控制标准。防渗土料压实度控制标准可用于坝体防渗心墙填

12、筑、指导碾压试验中对压实土体压实度、填筑含水率的评价。击实试验P5dmaxWopdmaax关系成果表表3.2-2粗粒含量(P5(%)010203040506070最大干密度(dmax (g/cm3)最优含水率(Wop (%)细料最大干密度(dmax (g/cm3)土料击实前、后破碎率测定表3.2-3 试验编号状 态颗粒组成(颗粒粒径mm)以5mm为界统计破碎量平 均破碎率6040402020101055%原级配击后234击后平均3.2.2压实质量控制标准根据中华人民共和国电力行业标准碾压式土石坝设计规范DL/T5395-2007；中华人民共和国电力行业标准碾压式土石坝施工规范DL/T51292

13、001要求，填筑心墙防渗土料时，质量控制标准可采用全料或细料压实度和全料含水率作为控制标准，即：（1）全料或细料压实度控制：D N（N根据坝等级确定）防渗土料全料、细料压实系数控制干密度控制值表3.2-4粗粒含量P5（%）0102030405060全料击实最大干密度dmax（g/cm3）1.980 2.040 2.090 2.160 2.215 2.280 2.300 全料击实最大干密度时的细料干密度dlmax（g/cm3）1.980 1.9771.9721.9681.9551.9431.906校正系数=dlmax/dlmax1.000 0.998 0.996 0.994 0.987 0.98

14、1 0.963 全料压实系数控制全料碾后干密度Ddmax（g/cm3）1.960 2.020 2.069 2.138 2.193 2.257 2.277 细料压实系数控制D0.990 0.989 0.986 0.984 0.978 0.972 0.953 细料碾后干密度为Ddlmax（g/cm3）1.960 1.957 1.952 1.948 1.935 1.924 1.887 全料碾后干密度dmax（g/cm3）1.9602.0302.0802.1502.2002.2702.290设计的最优含水率Wop(%)12.8311.1110.109.098.087.476.87（2）全料含水率控制：

15、Wop-2.0 Wf Wop+2.0（一般情况下）（3）最大颗粒粒径控制：dmax 150mm（不超过铺土厚度2/3层厚）防渗土料全料、细料压实系数控制干密度值见表3.2-4。全料压实系数控制干密度控制值见图3.2-4。细料压实系数控制干密度控制值见图3.2-5。字母及符号说明：校核系数，D压实度。图3.2-45所示，其工程意义在土料经碾压后检测时，现场只要测得全料干密度、大于5mm粒径颗粒百分含量、填筑含水率，即可计算出按全料压实系数控制或细料压实系数控制压实度是否达到压实要求。3.3土料掺合改性当防渗土料天然级配组成偏细时，用于填筑心墙防渗土体，一般其模量值较小，抗剪强度值较低，难以满足1

16、00m量级高坝的要求，故需掺砾改性处理，提高抵抗变形能力和强度，以满足高坝对变形的要求。反之，当天然级配组成偏粗时，其抗渗、防渗性能不能满足要求，则需掺入黏土改性。根据室内掺合改性方案与不同掺配比试验成果资料，初步拟定需实施的掺合改性方案与掺配比进行掺合工艺研究及碾压试验。掺砾料，一般可分为天然砂砾料和人工破碎砾料两类。本章节以人工破碎砾料与土料掺合改性为主表述。3.3.1人工破碎砾料加工制备一般人工破碎砾料是利用其开采的石料。目前人工破碎砾料加工方式为人工破碎后进行分级筛分、堆存，再按拟定级配混合为满足要求的人工破碎砾料。今后需研究简化掺砾料生产的工艺方法。砾料加工和质量应受全程监督控制。砾

17、料加工工艺示意见图3.3-1。图3.3-1砾料加工工艺示意3.3.2掺合料掺合工艺及流程掺合工艺研究是掺合改性试验的重点内容之一。掺合料施工前，先室内试掺，后现场进行适量的生产性试掺。根据人工破碎砾料的堆积密度、土料的堆积密度、掺配比等，在确定相关参数的情况下，进行掺合料掺合工艺试验。掺合料掺合工艺流程见图3.3-2。土、砾料物理指标检测现场小型砾料掺合及检测现场小型土、砾料掺合及检测土、砾料室内掺合及检测砾料室内掺合及检测现场大型土、砾料掺合检测图3.3-2 掺合料掺合工艺流程图3.3.3掺合料制备方法在土料中掺入一定数量的砂砾料时，可采取一层土料一层砂砾料按比例逐层铺筑料堆，用挖土机立面开

18、采混合方法制备掺合料。掺合比例由设计确定。掺合料堆的各层厚度按下式计算：h土= h砾(d砾/d土) n式中 h土土料层厚度，cm； h砾砂砾料层厚度（预先确定值），cm； d砾砂砾料层堆积干密度，g/cm3； d土土料层堆积干密度，g/cm3； n土料与砂砾料的比例，按质量计。铺料时，先铺砂砾石料。铺料方法：铺砂砾石料时用进占法卸料，铺土料时用后退法卸料。在铺料过程中，每层土料和砂砾石料取1020组试样测定含水率和颗粒级配，以便进行质量控制。3.3.4土料含水率调整当土料天然含水率低于或高于含水率控制范围时，应采取调整含水率措施。调整含水率措施一般有两种方法：一、低含水率土料的加水处理；二、高

19、含水率土料降低含水率措施。低含水率土料的加水处理通常有仓面洒水、土料场加水两种方式。高含水率土料降低含水率措施通常有翻晒、掺料、综合措施等方式。土料含水率调整后应使土料含水率达到碾压含水率控制范围，并保持均匀。4 碾压试验4.1机具准备碾压机械的选择，有的由建设单位选择，有的由施工单位根据经验和可能取得的设备选择。选择时主要应考虑坝料类别、设计压实标准、填筑强度等。防渗体土料宜采用振动凸块碾压实。振动凸块碾根据行走方式不同，分为牵引式与自行式两种类型，目前工程中多采用自行式振动凸块碾。部分振动凸块碾主要性能指标见表4.1-1。部分振动凸块碾主要性能指标表4.1-1国别规格型号种类静重振幅振动频

20、率激振力tmmHzkN中国牵引式18.027.5400中国W2005PDW自行式20.42.228.0410瑞典DYNAPAC自行式25.12.028.030.0330振动碾工作重量宜大于10t，振动频率应在20Hz30Hz之间，行驶速度不大于4km/h。表4.1-1中可知随着工程机具的发展，振动凸块碾有向更大型发展的趋势，碾压机具选择范围较大。应配备足够的挖掘机、装载机、自卸汽车、推土机等。4.2场地准备碾压场地应平坦，地基坚实。用试验料，先在地基上铺压一层，压实到相对不变形，即用全站仪配合控制沉降量出现收敛渐进。场地高差控制在3cm以内，然后在其上进行碾压试验。场地面积：一般情况下，黏性土

21、每个试验组合不小于2m5m（宽长，下同）；砾石土、风化砾石土等每个试验组合不小于4m8m。场地布置：一般试验场地布置与采用的试验组合方法有关，工程中常采用淘汰法或部分循环法。淘汰法，每场只变动一种参数，一般一场试验布置4个组合试验；部分循环法，一场试验可以同时有2种或2种以上参数变动，一般一场布置812个组合试验。试验铺土要求：由于碾压时产生侧向挤压，因此，试验区的两侧（垂直行车方向）应留出一个碾宽（2 m左右）。顺碾压方向的两端应留出4 m5 m作为非试验区，以满足停车和错车需要。4.3压实参数和试验组合初步拟定压实参数包括机械参数和施工参数两大类。机械参数：当压实设备型号选定后，机械参数已

22、基本确定。施工参数：一般包括铺土（料）厚度、碾压遍数、行车速度、土的含水率等。铺土厚度一般多拟定30cm、40cm、50cm三种厚度，铺土过程中应采用全站仪或水平仪定点测量方式，严格控制铺土厚度，不得超厚。铺土方式一般有进占、退铺法卸料两种，工程中常用进占法卸料，推土机平仓。碾压方式一般按条带和条块进行碾压。碾压搭接方式一般采用错距法，错距搭接宽度为30cm50cm左右。碾压遍数一般应先静压（不开激振）12遍，然后再振动碾压，工程中常拟定振动碾压遍数6、8、10、12遍左右。碾压速度一般分为三种速度即慢速1.02.0km/h、中速2.03.0km/h、快速3.04.0km/h。土的含水率一般应

23、控制在最优含水率附近。为了解土的含水率位于最优含水率偏干、偏湿的界限值，应进行土的含水率变化对压实度影响试验，以便确定填筑含水率变化范围值。现场描述：应记录使用的运输设备、卸料方式及铺料方法；应观察振动凸块碾的工作状况，有无黏碾、弹簧土、涌土、表面龟裂及压后有无剪切破坏现象；应检查上、下压实土层结合情况；应记录碾压前、后的实际土层厚度。试验组合：试验组合方法有经验确定法、循环法、淘汰法和综合法，工程中一般多采用淘汰法。淘汰法又称逐步收敛法，此法每次只变动一种参数，固定其他参数，通过试验求出该参数的适宜值，同样，变动另外一个参数，用试验求得第二个参数的适宜值，依此类推，此种方法的优点是达到同等效

24、果时的试验总数较少。试验内容及样品数量，一般应在平仓完成后对碾前、后每一组合进行干密度、含水率及颗粒级配检测，取样品数量以1015组为宜。待各项参数选定后，用选定参数进行复核试验。4.4压实质量检测及碾压参数选择压实质量的检测是在碾压前、后测定土体的颗粒级配、含水率、密度等，并计算其压实度，以判断其压实质量是否符合压实质量控制标准的要求。工程中一般多采用淘汰法，建立不同铺土厚度、不同碾压遍数等与压实度的关系，从而选择满足压实质量标准要求的最佳碾压施工参数。4.4.1碾压前、后物理性试验碾压前、后物理性试验是在碾压场铺土完成及碾压后的条、块上按均布点位要求，进行碾压前、后即含水率、密度、颗粒级配

25、等物理性试验。碾压前、后物理性试验成果表见表3.1-1，颗粒分布曲线见图3.1-1。通过碾压前、后物理性试验成果分析：可了解土料碾压前、后填筑含水率、密度、颗粒级配变化、P5百分含量变化、大于5mm粒径颗粒破碎率等。4.4.2碾压遍数、铺土厚度与压实度检测在碾压后的各条、块上分别测得碾后全料干密度、P5百分含量、含水率等。根据4.4.1章节中之表3.1-1。根据3.2.2章节中之表3.2-4，图3.2-4全料压实系数控制关系曲线，分别得到在不同的铺土厚度、不同碾压遍数下的压实度值与含水率差值关系，用于评价压实质量是否满足填筑要求。碾压遍数、铺土厚度与压实度成果统计表4.4-1试 验编 号碾 后

26、5mm含量碾后干密度干密度控制值压实度碾后含水率含水率控制值含水率差值全料全料全料全料全料全料P5ddDWfWopWop-Wf%g/cm3g/cm3%压实度D与碾压遍数N关系见图4.4-1，从图4.4-1可选择碾压遍数。压实度D与铺土厚度h关系图4.4-2，从图4.4-2可选择铺土厚度。碾压后土体含水率分布区间概率分布见图4.4-3，从图4.4-3可了解填筑含水率变化趋势，以便对填筑土料含水率进行有效控制。4.4.3铺土厚度、碾压遍数与沉降量关系碾压试验在铺土过程中应采用全站仪或水平仪定点测量方式，严格控制铺土厚度，不得超厚，碾压后测量其碾压土体层厚度。了解铺土厚度、碾压遍数与沉降量之间的关系

27、，为综合选择铺土厚度、碾压遍数提供根据。沉降量与铺土厚度、碾压遍数关系见表4.4-2，沉降量与铺土厚度、碾压遍数关系见图4.4-4。土料碾压遍数与沉降量测量成果 表4.4-2铺土厚度碾压遍数1#点位沉降量2#点位沉降量3#点位沉降量4#点位沉降量5#点位沉降量6#点位沉降量平均沉降量cmNcmcmcmcmcmcmcm306810124068101250681012备 注每个碾压条带设沉降检测点24个，6个为一组，取其平均值。4.4.4碾压行车速度变化试验根据土石坝的施工经验，振动碾的行车速度对大坝土料的碾压质量有着直接的关系。应进行行车变速碾压试验。当铺土厚度、碾压遍数确定后，需进行碾压行车速

28、度的确定。行车速度变化与压实度试验成果见表4.4-3。行车速度变化与压实度关系见图4.4-5。在满足压实质量要求前提下，应结合施工强度、施工工期等因素综合分析确定碾压行车速度。土料行车速度变化与压实度成果表4.4-3行车速度试验编号碾压遍数铺土厚度5mm含量碾 后干密度干密度控制值压实度碾 后含水率含水率控制值含水率差 值vNhP5ddDWfWopWop-Wfkm/h遍cm%g/cm3g/cm3%1.02.0-1-1-1-i-1平均2.03.0-2-1-2-i-2平均3.04.0-3-1-3-i-3平均4.05.0-4-1-4-i-4平均4.4.5碾压土料含水率变化试验当铺土厚度、碾压遍数、行

29、车速度最佳施工参数选定后，应进行碾压土料含水率变化试验，以确定最佳填筑含水率范围值。碾压土料含水率在最优填筑含水率附近变化时，对压实度有较大影响。通常含水率变化（按全料质量百分比加减水，“”为减水、“+”为加水）分为：W4%，W2%， W（全料设计的填筑最优含水率），W2%，W4%，一般分为5个条、块进行碾压。加水按全料试验用量质量百分比计算加水量，采用人工加水并辅以反铲翻混均匀，集料成堆进行覆盖堆存。土料含水率变化试验成果表4.4-4试验编号铺土厚度碾压遍数行车速度5mm含量碾 后干密度干密度控制值压实度拟变化含水率全 料含水率实际变化含水率hNvP5ddDW1WW2cm遍km/h%g/cm

30、3g/cm3-%-1-1-4 -1-i-4-1平均-4-2-1-2 -2-i-2-2平均-2-3-10-3-i0-3平均0-4-12-4-i2-4平均2-5-14-5-i4-5平均4减水按全料试验用量质量百分比计算减加水量，用推土机或反铲进行摊铺翻晒，集料成堆进行覆盖堆存。碾压土料含水率变化与压实度试验成果见表4.4-4，含水率变化与压实度关系见图4.4-6。碾压过程中应记录土体有无挤压隆起、是否出现弹簧土现象，有无松散、风干现象等。碾压完成后，进行现场物理性试验。根据成果分析与绘制碾压土料变化含水率与压实度关系曲线，结合碾压过程中现象描述，综合确定填筑土料含水率变化范围值。4.5碾压施工工艺

31、参数选择根据压实质量控制标准，对铺土厚度选择、碾压遍数选择、行车速度选择、含水率变化选择试验后的压实质量分析计算，结合工程的具体条件，综合确定填筑土料的碾压施工工艺参数如下：铺土厚度：h=cm；碾压遍数：N=遍(静压)+ 遍(激振)；碾压行车速度：V=km/h(低、中、高速)；填筑土料含水率控制范围值：Wop% Wf 5倍且不小于30cm30cm30cm。水流方向：渗流方向按平行碾压层面和垂直碾压层两种方式。试样制备及安装：在压实后的土体上，刻槽选定具有代表性的土体，仔细除去表面被扰动的浮土，预留土体的渗流进出水面，用混凝土包裹土样的其余各面。当试样制备完成后，安装上、下游水仓，供水设备等。表5.2-5渗透变形试验/检测记录表工程名称： 试样面积： cm2 样品编号： 试样高度： 试验/计算者： 技术标准代号： DL/T5355-2006 量杯质量： g 校 核 者： 检测日期： 记录编号： 第 页 共 页水头序号记 录 时 间测压管水位水力比降水温校正系数渗透水量渗透系数渗透流速备 注开始时间终止时间经过时间上游下游ihC/h20k20v时分时分Scmcm-oC-cm3cm/scm/s试验记录见表5.2-5，渗透变形试验成果见表5.2-2。水力比降与渗透流速iv关系曲线见图5.2-5。5.3室内力学性试验室内试验：大型高压大三轴试验（试验工况CD、CU、